Bilim.techО проекте

Планетарные передачи

Как бортовой редуктор самосвала получает огромный момент в маленьком корпусе? Солнце, сателлиты, эпицикл и формула Виллиса.

01 Что это такое

Планетарный ряд это три соосных звена: солнце, водило с сателлитами и корона. Затормози одно из них, и два других станут входом и выходом передачи с нужным числом.

В центре солнечное колесо. Вокруг него катятся сателлиты, как планеты вокруг Солнца. Снаружи их обнимает корона (эпицикл) с зубьями внутри. Оси сателлитов держит водило H. Все три звена вращаются вокруг одной оси, поэтому вход и выход ряда лежат на одной линии.

Какое звено держать тормозом, а какое крутить, решает, что получится: большое понижение, малое понижение, задний ход или прямая передача. Так работает автоматическая коробка: муфты и тормозные ленты по очереди останавливают разные звенья одних и тех же рядов. А нагрузку несут сразу три-четыре сателлита, поэтому корпус маленький.

солнцесателлитыводило HкоронаСТОИТВХОД → ВЫХОДЧИСЛО uкоронасолнце → водило1 + 60/24 = 3,5медленно, большой моментсолнцекорона → водило1 + 24/60 = 1,4средняя передачаводилосолнце → корона−60/24 = −2,5задний ходничегодва звена сцеплены1прямая, все как одноОдин и тот же ряд: z солнца 24, сателлита 18, короны 60
Слева ряд спереди. Справа четыре передачи, которые дает один ряд: меняется только то, какое звено держит тормоз. Минус в числе u значит, что выход крутится в обратную сторону.
zк
Число зубьев короны, без единиц. Корона охватывает солнце и два сателлита, поэтому zк = zс + 2 zсат. Чем больше корона по сравнению с солнцем, тем сильнее ряд понижает обороты.
ωH
Угловая скорость водила, рад/с или об/мин. Водило несет оси сателлитов. Если смотреть на ряд, сидя на водиле, получится обычная передача с неподвижными осями (тема 6.1).
u
Передаточное число, без единиц. Во сколько раз обороты входа больше оборотов выхода: u = nвх / nвых. Во столько же раз растет момент (без потерь). Минус значит реверс.
02 Опыт
Затормози звено. Выбери вход. Посмотри из водила. ОБОРОТЫ СЧИТАЮТСЯ ПО ФОРМУЛЕ ВИЛЛИСА
ТММ

Как маленький редуктор в колесе самосвала дает огромный момент?

Рис. 6.6
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Передаточное число u
Выход: обороты и момент
Условие сборки

ⓘ Рисунок условный: зубья трапециевидные, все колеса одного модуля, радиус пропорционален числу зубьев. Масштаб подбирается под размер короны. Анимация замедлена так, чтобы самое быстрое звено делало не больше одного оборота за несколько секунд, а соотношение скоростей сохраняется точно. КПД учтен одним числом η на весь ряд, при блокировке потерь в зацеплении нет.

03 Формулы по буквам

Соосность, формула Виллиса и момент на выходе

Во всех карточках числа из опыта. Меняй тормоз, вход и зубья и следи, как пересчитываются обороты и момент.

Сколько зубьев у короны и когда ряд соберется?

zк = zс + 2 zсат
(zс + zк) / k = целое

Диаметр короны равен диаметру солнца плюс два диаметра сателлита, а зубья у всех одного размера (модуля). Вторая строка: сателлиты расставлены поровну по кругу, и каждый должен попасть зубьями и в солнце, и в корону одновременно.

zс
число зубьев солнечного колеса
zсат
число зубьев сателлита
zк
число зубьев короны (эпицикла)
k
число сателлитов, обычно 3 или 4

Как связаны обороты всех трех звеньев?

(ωс − ωH) / (ωк − ωH) = −zк / zс

Формула Виллиса. Слева скорости солнца и короны, измеренные относительно водила. Справа передаточное число обычной передачи солнце, сателлит, корона с неподвижными осями. Минус: при остановленном водиле корона крутится против солнца.

ωс
угловая скорость солнца, рад/с (можно об/мин)
ωH
угловая скорость водила
ωк
угловая скорость короны

Во сколько раз растет момент?

u = 1 + zк / zс
Mвых = u · Mвх · η

Первая строка для самого частого случая: корона стоит, вход солнце, выход водило. Мощность почти не теряется, поэтому во сколько раз падают обороты, во столько же раз растет момент, за вычетом потерь η.

u
передаточное число, nвх / nвых
Mвх, Mвых
моменты на входе и выходе, Н·м
η
КПД ряда, у планетарного ряда от 0,95 до 0,98

Откуда берется формула Виллиса

Шаг 1. Сядь на водило. Если всему механизму добавить вращение −ωH, относительные движения звеньев не изменятся, а водило остановится. Оси сателлитов теперь неподвижны: это обычная передача из темы 6.1.

Шаг 2. В обычной передаче солнце крутит сателлит, сателлит крутит корону. Сателлит промежуточный и в число не входит, он только меняет направление: внешнее зацепление дает минус, внутреннее плюс. Поэтому (ωс − ωH) / (ωк − ωH) = −zк / zс.

Шаг 3. Верни водилу его вращение и подставь, что стоит. Корона стоит, ωк = 0: (ωс − ωH) / (−ωH) = −zк / zс, откуда ωс / ωH = 1 + zк / zс. Солнце стоит, ωс = 0: ωк / ωH = 1 + zс / zк. Два звена сцеплены: обе разности равны нулю, и все звенья крутятся одинаково.

ШагСолнцеВодилоКорона
Как естьωсωH0
Добавили −ωHωс − ωH0−ωH
Обычная передача(ωс − ωH) / (−ωH) = −zк / zс
Итогu = ωс / ωH = 1 + zк / zс
Метод остановленного водила для случая «корона стоит». Пример: zс = 18, zк = 66, u = 1 + 66/18 ≈ 4,67. Два таких ряда подряд дают 4,67 · 4,67 ≈ 22, а с другими зубьями около 30.
04 Где и зачем это применяют

От колеса самосвала до шуруповерта

Допущения модели+

Колеса прямозубые, без смещения, все одного модуля, поэтому радиус пропорционален числу зубьев и соосность сводится к zк = zс + 2 zсат. Со смещением исходного контура конструкторы иногда отходят от этого равенства на зуб. Нагрузка делится между сателлитами поровну; на деле из-за неточностей изготовления один сателлит нагружен больше, поэтому солнце часто делают плавающим, без жестких опор. КПД задан одним числом для всего ряда, хотя в разных режимах потери разные; при блокировке зубья не скользят друг по другу, и потерь в зацеплении нет. Соседство сателлитов проверено упрощенно: расстояние между их осями должно быть больше диаметра вершин. Числа в готовых случаях примерные: бортовой редуктор самосвала грузоподъемностью около 130 т (zс = 18, zк = 66, момент на полуоси 36 кН·м), ряд автоматической коробки легковой машины, стартер с мотором около 5000 об/мин.

Еще в направлении «Механика»

Все темы направления «Механика» →